吳曉明，唐衡郴，王陸釗，景 鋒，蔣立影

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司制造技術(shù)中心，河北 唐山 063035）

0 前言

節(jié)能、安全、舒適、環(huán)保是交通運輸業(yè)發(fā)展的大趨勢。輕量化是實現(xiàn)高速節(jié)能的首選條件，鋁合金具有密度小、耐腐蝕性好、比強度高、加工性能好等特點，成為用途最廣、用量最大的輕量化材料[1]。鋁合金結(jié)構(gòu)車體在動車組、城軌、地鐵等軌道車輛上的應(yīng)用逐步推廣。中國從2002年開始批量生產(chǎn)鋁合金地鐵和鋁合金鐵路車輛，目前已累計生產(chǎn)出數(shù)千輛鋁合金車體[2]。自動化焊接具有高效、優(yōu)質(zhì)、操作環(huán)境好、勞動強度低等優(yōu)點，成為鋁合金車體部件焊接的重要方法[3]。一輛動車組鋁合金車體共計48條長大焊縫，一輛城軌鋁合金車體共計38條長大焊縫，涵蓋了地板、側(cè)墻、車頂、車體等主要的部件，采用自動焊接方法進行大批量生產(chǎn)充分提高生產(chǎn)效率，并且有利于保證焊縫焊接質(zhì)量均勻一致。自動焊焊縫跟蹤技術(shù)的使用為保證焊接質(zhì)量提供了重要保障。本研究對比了軌道車輛自動焊接中最常用的機械傳感器和激光傳感器兩種焊縫跟蹤技術(shù)的通用性、使用范圍、靈敏度及優(yōu)缺點，為優(yōu)化焊縫跟蹤技術(shù)配置使用、提高自動焊質(zhì)量具有重要意義。

1 焊縫跟蹤技術(shù)

在焊接過程中由于各種因素的影響，如強烈的弧光輻射、高溫、煙塵、飛濺、坡口狀況、加工誤差、夾具裝夾精度、表面狀態(tài)和工件熱變形等，會使焊槍偏離焊縫，從而造成焊接質(zhì)量下降甚至失敗[4]。軌道車輛用鋁合金車體及大部件自動焊接焊縫的主要焊接位置為平直位置焊接（PA）和橫焊位置焊接（PC），設(shè)計主要焊縫形式為對接和搭接角焊縫?；阡X合金的電阻特性、焊接性特點及車體部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，車體鋁合金自動焊使用最廣泛的為機械傳感器和激光傳感器兩種焊縫跟蹤技術(shù)，如圖1所示。

圖1 自動焊焊縫跟蹤技術(shù)

機械傳感器跟蹤技術(shù)和激光傳感器跟蹤技術(shù)在軌道車輛車體鋁合金自動焊接生產(chǎn)中的基本操作流程相同：焊接前，調(diào)取預(yù)先設(shè)置的相關(guān)焊接工藝參數(shù)及跟蹤路徑，讀取焊縫坡口位置信息并確定跟蹤基準(zhǔn)點；開始焊接，焊接過程中對比焊槍的實時運行軌跡與跟蹤路徑的位置偏差，通過傳感器反饋的數(shù)據(jù)進行運算分析并實時調(diào)整，引導(dǎo)焊槍在預(yù)定的理想軌跡上平穩(wěn)焊接，有效提高焊縫跟蹤的精確度，提高焊縫焊接質(zhì)量均勻一致性，從而有效保證了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，充分體現(xiàn)了自動焊高效、優(yōu)質(zhì)的焊接特點。

軌道車輛車體鋁合金自動焊接生產(chǎn)過程中焊縫跟蹤流程框圖如圖2所示。圖2a是采用激光跟蹤技術(shù)的基本流程，激光跟蹤為激光視覺跟蹤，其原理是傳感器投射一條激光條紋到焊縫表面，傳感器內(nèi)部的攝像頭采集激光條紋的圖像，處理器對圖像進行處理和模式識別，計算出焊槍與焊縫相對的偏差，當(dāng)焊槍位置與焊縫坡口超過預(yù)定偏差范圍時，數(shù)字化處理系統(tǒng)進行快速運輸算并執(zhí)行比例控制，實時調(diào)整焊槍方向和焊接位置，控制在焊縫坡口尺寸范圍內(nèi)；當(dāng)焊槍尺寸偏差在允許范圍內(nèi)時，直接通過智能模糊控制技術(shù)調(diào)整焊接位置，使焊槍回歸到焊縫有效范圍內(nèi)。圖2b是機械跟蹤流程，當(dāng)檢測到焊槍對焊縫位置存在偏差時，通過模擬化處理系統(tǒng)進行對比運算并執(zhí)行補償控制，及時有效調(diào)整焊槍位置。

圖2 焊縫跟蹤流程框圖

針對鋁合金車體結(jié)構(gòu)型材尺寸大、雙面焊接、薄壁易變形等特點，結(jié)合部件結(jié)構(gòu)、焊縫形式與自動焊接焊縫跟蹤技術(shù)特征，選用合理跟蹤技術(shù)的焊接機器人，可有效提高焊接質(zhì)量。

2 焊接跟蹤技術(shù)特點

根據(jù)軌道車輛鋁合金車體及部件自動焊接生產(chǎn)中焊接機器人的使用情況，結(jié)合焊接機器人與焊縫跟蹤系統(tǒng)的集成特點及系統(tǒng)關(guān)鍵零件的性能，從通用性、適用范圍、使用持久性及優(yōu)缺點等方面分析焊縫跟蹤技術(shù)的特點。

2.1 通用性

本研究的軌道車輛車體鋁合金自動焊接焊縫的激光跟蹤系統(tǒng)主要由非接觸式激光傳感器、激光掃描裝置、焊槍三維調(diào)節(jié)裝置、控制系統(tǒng)等部分組成，采用掃描式激光傳感焊縫跟蹤法，將激光傳感器安裝在焊槍前部觀察焊縫，由激光掃描裝置帶動激光傳感器在焊縫上方掃描，檢測焊槍和焊縫的縱向和橫向距離，即焊槍相對焊縫的位置偏差，如圖3a所示?？刂葡到y(tǒng)通過運算并發(fā)出控制信號，驅(qū)動各方向的步進電機運動，實現(xiàn)焊接機器人對焊縫的實時自動跟蹤并快速調(diào)節(jié)焊槍，保證焊縫的尺寸精度，提高焊接質(zhì)量。激光跟蹤系統(tǒng)適應(yīng)能力比較強，幾乎可應(yīng)用于軌道車輛鋁合金車體所有長大焊縫的焊接跟蹤。

車體鋁合金自動焊接焊縫的機械跟蹤系統(tǒng)主要由機械接觸導(dǎo)桿、傳感器、焊槍調(diào)節(jié)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。采用機械接觸傳感焊縫跟蹤法，將傳感器連同機械接觸導(dǎo)桿安裝在焊槍的前方，由機械接觸導(dǎo)桿與焊縫坡口或工件的一個側(cè)壁接觸，通過接觸導(dǎo)桿把焊縫位置的變化通過光電、滑動變阻器、力覺等方式轉(zhuǎn)換為電信號反饋給控制系統(tǒng)，如圖3b所示?？刂葡到y(tǒng)通過模擬運算并發(fā)出控制信號，驅(qū)動步進電機運動，實現(xiàn)焊接機器人對焊縫的實時自動跟蹤和快速調(diào)節(jié)焊槍，保證焊縫尺寸均勻。

2.2 使用持久性

鋁合金車體焊接用激光跟蹤系統(tǒng)是采用激光掃描裝置在焊接機器人焊槍的前方通過激光探頭，實時提前采集待焊接焊縫的坡口狀況及尺寸變化的數(shù)據(jù)，然后反饋給控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)運算和自動偏差調(diào)整。由于鋁合金自動焊接是焊絲不斷熔化并填充焊縫的動態(tài)變化過程，會產(chǎn)生粉末狀煙塵、焊接飛濺等固體雜物，長時間焊接產(chǎn)生的煙塵會粘附激光掃描探頭上的濾光片上，增加激光的反射路徑，進而可能導(dǎo)致激光掃描精度下降，影響焊縫跟蹤效果。因此，為了保證焊接質(zhì)量，生產(chǎn)過程中需要定期清理濾光片上的煙塵，必要時及時更換。

圖3 焊縫跟蹤設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖4 機械跟蹤零部件

鋁合金車體焊接用機械跟蹤系統(tǒng)是通過機械接觸導(dǎo)桿與焊縫坡口或工件側(cè)壁接觸，接觸桿本身為消耗性材料，可以使用一段時間，如圖4a所示。由于焊縫坡口的平整性不均勻，存在局部小高度差或微小缺口，機械接觸導(dǎo)桿尖部的導(dǎo)程小球與坡口或工件摩擦導(dǎo)致小球磨損，會影響焊縫跟蹤精度，需要定期更換機械接觸導(dǎo)桿；在與接觸導(dǎo)桿上部連接的裝置內(nèi)設(shè)有傳感器元件的壓電晶片，使用一段時間后易出現(xiàn)靈敏度下降問題，需要定期檢測并更換，如圖4b所示。焊接過程中產(chǎn)生的飛濺、煙塵等，容易在接觸導(dǎo)桿尖端產(chǎn)生附著物需要及時清理，以免影響跟蹤精度。由于機械接觸導(dǎo)桿本身的形狀及結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)致焊縫適應(yīng)性較弱，對于不同焊縫的坡口形式，還將需要更換不同形狀的接觸導(dǎo)桿以提高跟蹤效果。

2.3 焊縫適應(yīng)性

激光視覺跟蹤可以涵蓋所有的焊縫類型，包括對接、搭接、角接等，對于坡口間隙和焊前裝配錯邊多變的長大焊縫，可通過修正預(yù)定偏差數(shù)值范圍，提高了偏差兼容性，對于不同的焊縫坡口形式，只需編制不同的激光模板，即可與焊縫精確匹配實現(xiàn)焊縫實時自動跟蹤。激光跟蹤器安裝在焊槍前部，光學(xué)部件、傳感器等高度集成，與焊槍的焊接機器人結(jié)合在一起，占用空間非常小，不需要占用額外的通行空間。

機械傳感跟蹤系統(tǒng)對坡口變化的適應(yīng)性較弱，適用于坡口間隙和錯邊誤差較小的長直焊縫。對于不同的焊縫坡口形式，需要更換不同形狀的接觸導(dǎo)桿以增強跟蹤效果，但沒有坡口的對接焊縫，機械式焊縫跟蹤系統(tǒng)則無能為力。機械跟蹤器通常安裝在焊槍前側(cè)面，接觸導(dǎo)桿和傳感器與焊槍有一定的空間偏角，焊接過程中需要一定的通行空間。

2.4 靈敏度

鋁合金車體焊接用焊縫激光跟蹤系統(tǒng)的靈敏度高，只要根據(jù)不同的焊縫形式設(shè)置好相應(yīng)的激光跟蹤模板，焊接時根據(jù)坡口的不斷變化可以自動尋找特征點，跟蹤效果良好，可用于焊縫形式變化及坡口錯邊或尺寸多變的自動焊縫跟蹤。機械系統(tǒng)跟蹤靈敏度一般，通常搭載在焊接專機上進行長直焊縫的焊接跟蹤。

2.5 使用性能

激光跟蹤特點為精度高，使用靈活方便，可以用于各種復(fù)雜焊縫形式的全位置焊接，但激光跟蹤受電腦軟件等控制系統(tǒng)影響非常大，使用要求較高，抗干擾能力弱，一旦生產(chǎn)過程中出現(xiàn)激光跑偏等焊接質(zhì)量問題時，需要專業(yè)的技術(shù)人員進行排查和指導(dǎo)。機械跟蹤特點為不受電弧干擾，工作可靠，成本低，曾在生產(chǎn)中得到過廣泛應(yīng)用，但由于跟蹤精度不高、安裝剛性弱、易產(chǎn)生抖動、偏離焊道等問題，目前主要使用于大型材長直焊縫的焊接。

3 結(jié)論

（1）機械跟蹤穩(wěn)定性好，維護簡單方便，但受空間和結(jié)構(gòu)限制，適用性不強。

（2）激光跟蹤使用靈活、方便、靈敏度高、適用性強，但抗干擾性較弱，使用時需要專業(yè)技術(shù)人員進行維護。

[1]王立夫，唐衡郴，王金金，等.軌道車輛用鋁合金焊接缺陷分析[J].焊接技術(shù),2007（7）：12-16.

[2]王炎金，丁國華.鋁合金車體制造關(guān)鍵技術(shù)研究[J].焊接，2007（7）：12-16.

[3]徐海濤，唐衡郴，劉春寧,等.鋁合金MIG自動焊焊接工藝[J].電焊機，2011，41（11）：99-102.

[4]蔣力培，黃繼強，鄒 勇，等.焊接機器人自動跟蹤系統(tǒng)研究[J].電焊機，2009，39（1）：39-44.